AM解调的FPGA实现

一、说明:

  1. 功能:AM解调
  2. 平台:Vivado 2016.4 和 Matlab R2017a

二、原理:

1.AM解调原理

  • 模拟电路中采用“包络检波”的方法:
    这里写图片描述
  • **数字电路中采用类似的方法: **
    先将已调信号取绝对值,再经过低通滤波器,滤除高频分量(经AM调制的信号包含两个高频分量:载波频率+/-调制信号频率,因此低通滤波器的截止频率小于两个高频分量就可以),得到的就是叠加了直流分量的调制信号,去直流后便可以得到调制信号。

三、AM解调的FPGA实现

1.将已调制的AM信号取绝对值

关于AM信号的产生,参见上一篇博客: AM调制的FPGA实现
简单说明一下对数据取反的思路:如果是无符号数,则不存在符号位,也就是说数据都是正数,不需要取绝对值;如果是有符号数,通过检测最高位的符号位,如果符号位是1,则表示数据是负数,对数据取反,如果符号位是0,则表示数据是正数,不需要取反操作。

  • 取绝对值的Verilog实现:
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n)	begin
		data_tdata <= 0;
	end
	else if(AM_mod[15] == 1)	begin
		data_tdata <= -{AM_mod};		//如果符号位是1,对数据取反
	end
	else if(AM_mod[15] == 0)	begin
		data_tdata <= AM_mod;			//如果符号位是0,数据不变
	end
	else	begin
		data_tdata <= data_tdata;
	end
end

2.使用FIR滤波器滤除高频分量

关于Vivado的FIR IP核可以说是功能很强大的,但这里不需要其他复杂的功能,只需要简单的生成一个的低通滤波器就行了。
类似于ROM核的生成,配置FIR同样需要Matlab配合。可见,Matlab的功能是多么强大。这里Matlab的主要作用是对滤波器的性能进行仿真并生成相应的抽头系数。

  • 使用Matlab生成FIR的抽头系数
    在Matlab的命令行窗口输入:filterDesigner(以前是用fdatool命令,不过输入fdatool也可以,只是会提醒你改用新的命令)弹出滤波器设计窗口:

    接下来,对滤波器的一些参数进行设置:

    参数设置好后,点击Design Filter 按钮查看生成滤波器的幅频响应图,通过幅频响应等图来判断滤波器是否达到设计要求:

    设计的滤波器满足性能指标后需要将抽头系数导出,保存为.coe文件。在导出前需要对系数进行量化。因为需要解调的AM信号也是16位宽,所以这里的位宽设置保持默认值,这些可以根据实际情况自行修改。

    量化过后就能将抽头系数导出为.coe文件了:

  • 生成FIR IP核
    IP核的具体配置如下:



    其他保持默认即可:


    同样,在IP核配置界面也可以查看滤波器的幅频特性:

IP核生成完毕后,就可以编写IP核的调用模块了。

  • FIR IP核调用模块:
module FIR_Control(
	input	clk,
	input	rst_n,
	input	signed	[15:0]	s_axis_data_tdata,
	output	reg 	[7:0]	data_out
);

wire 	s_axis_data_tready;
wire	m_axis_data_tvalid;
wire 	[39:0]	m_axis_data_tdata;		//滤波器输出信号

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n)	begin
		data_out <= 0;
	end
	else	begin
		data_out <= m_axis_data_tdata[33:26];	//根据仿真结果进行截位
	end
end

//--------------调用FIR核----------------//
FIR						FIR_inst0(
  .aclk					(clk),
  .s_axis_data_tvalid	(1),					//拉高时IP核开始工作
  .s_axis_data_tready	(s_axis_data_tready),	
  .s_axis_data_tdata	(s_axis_data_tdata),	//输入信号
  .m_axis_data_tvalid	(m_axis_data_tvalid),	//拉高时表明数据输出有效
  .m_axis_data_tdata	(m_axis_data_tdata)		//输出信号
);
//---------------------------------------//


endmodule 

需要注意的是:
m_axis_data_tdata 信号是滤波器的数据输出信号,我们在使用时一般都要对此数据进行截位操作,如何进行截位需要根据仿真结果来确定。比如,在这个工程中,我需要的滤波器的输出数据是8位,但不能一下子截取高8位,而且m_axis_data_tdata是个40位的数据,从仿真波形来看m_axis_data_tdata[39:34]都是符号位,因此从33位开始往下截取8位数据(当然也可以从34位开始截,这样的话就多了一位符号位,相应的数据位就变少了一位)。

3.去直流处理

经过FIR滤波后的波形其实就是一个叠加了直流分量的调制信号。在本工程中,AM调制是100%调制,也就是说解调时经过FIR后的信号的最小值为0,可以把它看作是无符号的数,直接经DA输出就行了。
如果不是100%调制呢?也就是说解调时经过FIR后的信号的最小值是大于0的,那么这个大于0的量就相当于直流,需要去掉后再经DA输出。
因此,在这个工程中,不需要去直流处理。下面给出顶层文件的代码。

  • 顶层模块编写:
module TOP(
	input	clk,
	input	rst_n,
	output	[7:0]	AM_demod
);

//--------------------------------//
reg 	signed	[15:0]	data_tdata;
wire 	signed	[15:0]	AM_mod;
//--------------------------------//

//-----------取绝对值-------------//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n)	begin
		data_tdata <= 0;
	end
	else if(AM_mod[15] == 1)	begin
		data_tdata <= -{AM_mod};		//如果符号位是1,对数据取反
	end
	else if(AM_mod[15] == 0)	begin
		data_tdata <= AM_mod;			//如果符号位是0,数据不变
	end
	else	begin
		data_tdata <= data_tdata;
	end
end
//--------------------------------//

//-----------AM已调信号------------//
modulate		modulate_inst0(
	.clk		(clk),
	.rst_n		(rst_n),
	.AM_mod		(AM_mod)
);
//--------------------------------//

//----------滤波器控制模块---------//
FIR_Control				FIR_Control_inst2(
	.clk				(clk),
	.rst_n				(rst_n),
	.s_axis_data_tdata	(data_tdata),
	.data_out			(AM_demod)
);
//--------------------------------//

endmodule

4.解调仿真

  • 编写TestBeach:
`timescale 1ns/1ps

module tb_AM();

//===================解调部分====================//
//----------接口设置----------//
reg 	sclk;
reg		rst_n;
wire 	[7:0]	AM_demod;
//--------------------------//
initial		sclk = 1;
always	#5	sclk = ~sclk;		//100M时钟

initial	begin
	rst_n = 0;
	#500
	rst_n = 1;
end
//----------解调模块----------//
TOP				TOP_inst(
	.clk		(sclk),
	.rst_n		(rst_n),
	.AM_demod	(AM_demod)
);
//---------------------------//

endmodule

  • 仿真结果

    由仿真结果可知,最终输出信号正确还原了已调制信号的包络,表明解调正确。
posted @ 2018-02-04 01:58  HOOKNET  阅读(4470)  评论(0编辑  收藏  举报